原標題：鉸鏈支架壓鑄工藝設計和優化
摘要
根據鉸鏈支架結構進行壓鑄工藝設計，針對其結構特點設計了兩種壓鑄工藝，利用Anycasting分析軟件對兩種工藝進行數值模擬，對比分析兩種工藝方案鑄件缺陷產生的位置及原因，結合實際生產條件，選擇了一種較優的壓鑄工藝進行優化，優化內澆道和溢流槽的數量和位置，改空冷和水冷。經模擬分析及試模證實優化措施有效，滿足生產質量要求。
當前制造業的發展方向爲低污染、輕量化和高性能，傳統制造工藝無法滿足時代的發展。壓力鑄造作爲特種鑄造中高精密制造技術的代表，具有尺寸精度高、加工餘量小、零件強度高的優點。同類型壓鑄材料中壓鑄鋁合金更具良好的熱塑性、較小的線收縮率、良好的高溫熱強度和物化性能，是壓鑄工藝材料的首選。成熟的壓鑄工藝有着生產高效、成品率高的特點。但新鑄件工藝周期漫長，依賴設計人員的經驗和實際生產反饋，其中因工藝優化迭代帶來的重復試模，導致工藝成本的提高和生產周期的延長，極大限制了壓鑄領域的發展。因此將CAE仿真模擬引入壓鑄領域，通過對金屬液充填凝固過程的模擬，分析優化澆注系統結構，縮短設計周期。
本論文研究的鉸鏈支架，結構復雜且爲免加工件，對尺寸精度、後續機加工區域有嚴格的要求，因此採用壓鑄工藝進行生產。通過對鉸鏈支架結構、表面精度要求進行分析，設計了兩種壓鑄工藝，並使用Anycasting軟件進行數值模擬，對兩種方案進行分析，預測可能出現的氣孔、縮鬆、縮孔、冷隔等缺陷的位置及原因，選擇較優的方案進行工藝改進優化，最終進行生產驗證，爲該類零件生產提供參考。
1 零件總體分析
鉸鏈支架見圖1，材料爲YL113鋁合金，YL113鋁合金化學成分如表1所示。鑄件平均壁厚2.32 mm，最大壁厚5.63 mm，外形尺寸爲116 mm×82 mm×43 mm，重131.64 g。如圖1所示，鑄件結構復雜，由弧面和斜平直面將套筒區和多通孔板件區連接，截面半工字呈內扣狀，外壁布置大量交叉薄壁筋板，要求鑄件免加工，深色區域爲打磨面，去毛刺，收縮率爲0.5%，無縮孔、縮鬆等鑄造缺陷。
圖1 鉸鏈支架結構
表1 YL113鋁合金化學成分 wB/%
2 壓鑄工藝設計
2.1 分型面設計
鑄件爲免加工件，外壁布置起模斜度爲5°的薄壁筋板，截面呈半工字內扣狀，需要設置多抽芯機構，在弧面區、套筒連接區和板件通孔區布置抽芯滑塊，並設置對應楔緊角爲20°的斜銷側抽芯機構。根據鉸鏈支架鑄件截面半工字結構和鑄件投影面積最大區域的分型面選取原則，選取兩種分型面（圖2）。方案1中，在鑄件中部分型，平均分配抽芯型芯在模仁（動模鑲塊和定模鑲塊）中的位置，型芯安裝固定較爲方便。方案2中，在鑄件上部分型，鑄件尺寸能得到保證，且分型面布置在打磨面上，產生的毛刺缺陷易清除。
圖2 分型面方案示意圖
2.2 澆注系統設計
設計了兩種澆注系統，三維結構示意圖見圖3。
圖3 澆注系統結構示意圖
2.2.1 內澆道設計
在圖3的方案1中，爲避免澆道與型芯直接接觸，將內澆道布置在內壁；爲縮短澆注流程將內澆道布置於筋板交叉對應內壁處，澆注液體沿筋板充填，大大縮短充填時間；考慮到金屬液流至型腔的各部位距離盡量相等，採用一大兩小的內澆道分布方式。在圖3的方案二中，爲避免金屬液直接正面衝擊型芯，將進澆方式改爲斜進澆，以及考慮到金屬液流至型腔的行程相當，布置分進澆道。內澆道截面積計算如下。式中：Ag爲內澆道截面積，m㎡；V爲鑄件和溢流槽體積，mm³；計算得內澆道截面積Ag=138 m㎡。
2.2.2 橫澆道設計
橫澆道的結構形式取決於內澆道形式和型芯位置，本鑄件側面基本爲內扣區域，兩種方案分型面皆要做抽芯處理。方案一內澆道布置於鑄件內壁，爲減小橫澆道快壓階段金屬液對型芯的影響，布置鑄件外橫澆道，並與型芯滑塊呈遠離態勢；爲對充填壓力予以補縮，鑄件內外橫澆道非水平線性連接，設置單拐角予以連接。方案二內澆道斜置於鑄件上平面，爲減少整個充填過程對型芯的影響，延長橫澆道長度。橫澆道厚度可由以下公式計算。 D=（5~8）T （2）式中：D爲橫澆道厚度，mm；T爲內澆道厚度，mm。取D=8 mm，爲便於鑄件起模方便，設置橫澆道起模斜度爲10°。
2.2.3 直澆道設計
直澆道爲金屬液由壓室進入型腔的通道，大小和壓室直徑一致。本設計面向的鑄件爲小型件，但其爲免加工件，爲保證夾渣氣體能有效排出型腔內，故溢流槽總體積設計大於等於鑄件體積的1.2倍；該鑄件需要布置多抽芯機構，爲保證鑄件能順利脫出，各抽芯滑塊體積應大於等於鑄件體積的1/3；考慮到各模具結構的排布，最終選用的壓鑄機爲DCC280臥式冷室壓鑄機，壓室直徑選取50 mm，餘料厚度設置爲16 mm。
2.2.4 溢流槽設計
溢流槽設計原則：①金屬液最後充填的部位，方案一在鑄件最右端，方案二在鑄件下底面兩端，故在不同方案的末端布置一個溢流槽；②金屬液最初衝擊的地方以及鑄件壁厚處，故在澆道對應上下面各設置一個溢流槽，方案一中弧面分支澆道對應上下面壁厚過薄，不予設置溢流槽；③金屬液匯流處易產生渦流，故方案一中在弧頂處上下面各設置一個溢流槽。
3 數值模擬分析
將帶有澆排系統的壓鑄件三維模型保存爲stl格式，並導入CAE軟件中進行網格劃分，由於鑄件結構復雜，其最小壁厚和澆排系統最小壁厚不同，因此採用不均勻網格劃分，劃分澆排系統網格尺寸爲0.8 mm，劃分鑄件網格尺寸爲10 mm共生成網格數量。鑄件材料選用YL113鋁合金，模具材質爲H13鋼。鑄造工藝參數如表2所示。
表2 鑄造工藝參數
3.1 充型過程分析
方案一的充型過程如圖4所示。金屬液首先進入直澆道，在t=0.160 5 s時通過弧面分支澆道後，噴射至筋板底部並沿筋板壁回流至弧面壁；在t=0.162 0 s時，金屬液通過主澆道及左側分支澆道，噴射至筋板交叉處底部並沿筋板分散充填；在t=0.168 2 s時，弧頂處充填完成後，左側金屬液沿上下平面及筋板向鑄件套筒方向充填；在t=0.176 0 s時，金屬液充填完畢，型腔基本被完全充填，無充填空缺。從整個充填過程看，金屬液流動過程基本平穩，存在一定程度的飛濺，但飛濺區域爲筋板區，鑄件外觀面不受影響；主澆道與左側分支澆道金屬液在左側分支澆道右側內壁匯流，充填產生的夾渣無法通過溢流槽有效排除；金屬液在套筒連接區內壁處有匯流，可能會出現卷氣、冷隔、縮孔、縮鬆等缺陷；溢流槽數量和位置存在不合理的地方，未在上下面套筒區域布置溢流槽。
圖4 方案一充型過程模擬結果
方案二的充型過程如圖5所示。金屬液由直澆道進入橫澆道，在t=0.451 2 s時，通過主內澆道進入鑄件型腔，衝擊弧面壁後液流沿弧面壁上下流動；在t=0.531 8 s時，金屬液通過兩分支澆道進入鑄件型腔，主澆道處金屬液在其澆道左側受型芯阻礙流動緩慢，如圖5圈中所示，這可能導致渦流和卷氣的產生。在t=0.550 5 s時，鑄件弧面區域充填完成，金屬液向鑄件兩側末端充填。在t=0.551 8 s時，金屬液充填完畢，型腔被完全充填，無充填空缺。從整個充填過程看，方案二受型芯阻礙影響先充填套筒連接區域，且充填過程存在一定程度飛濺，飛濺影響區爲鑄件外觀面；金屬液流動受弧面筋板影響，部分區域存在卷氣和渦流；金屬液在鑄件外觀面匯流，且對應區域無法設置溢流槽。
圖5 方案二充型過程模擬結果
兩種澆注方式充填過程都有一定程度的飛濺，但方案一飛濺區域爲筋板側壁，而方案二飛濺區域爲鑄件弧面外觀面，可能會導致鑄件弧面出現毛刺。從技術要求免加工的角度來看，方案一更爲合理。
3.2 凝固過程分析
方案一的凝固過程如圖6所示，金屬液最先在鑄件邊緣開始凝固，之後自邊緣處向澆道方向凝固。當t=1.528 3 s時，內澆道開始凝固，鑄件主體基本凝固，但部分壁厚區尚未完全凝固。從整個凝固過程來看，凝固時部分區域並未按序凝固，套筒連接區的筋板壁及內壁先凝固，而上下平面爲壁厚區，後凝固，因此該區域易形成縮鬆、縮孔。方案二的凝固過程如圖7所示。相比與方案一，其內澆道凝固時間更長，但其套筒連接區問題與方案一一致，且筋板與內壁交叉連接處，筋板壁和內壁先凝固且無內澆道與之對應，因此這些區域會出現孤立液相區，從而鑄件在這些區域出現縮鬆、縮孔的現象。
圖6 方案一凝固過程模擬結果
圖7 方案二凝固過程模擬結果
3.3 缺陷分析
圖8爲兩種方案的縮鬆縮孔分布圖。鑄件缺陷集中於套筒連接平臺區、部分筋板交叉區和通孔板件區上下表面這些壁厚區域，主要由於這些區域壁厚較其他部位要厚，凝固時這些區域溫度較周圍壁薄處要高，因此金屬液凝固緩慢，與周圍壁薄區域產生間隙，在完全凝固時得不到金屬液的補充，從而出現縮鬆、縮孔的缺陷。對比兩種方案，出現缺陷的位置大致相同，但方案二未在筋板交叉處設置對應內澆道，故筋板交叉區缺陷較方案一要多。在去除溢流槽後，方案一的縮鬆、縮孔體積爲0.056 cm³，而方案二的縮鬆、縮孔體積爲0.083 cm³，因此，在減少縮鬆、縮孔方案，方案一更優。
圖8 縮鬆、縮孔分布圖
綜合比較兩種工藝方案，方案二在餘料去除工作方面較爲簡便，但在縮鬆、縮孔方面，方案一產生的缺陷更少；方案二在開模時較爲繁瑣，除沿分型面上下開模外還需沿分支澆道切線方向開模，生產工序復雜。因此選用方案一作爲後續工藝改進方案。
4 工藝改進
4.1 優化方案
除了初始工藝充填存在的問題外，原方案的主澆道截面積過大，對於鑄件後續加工餘量去除工作較爲繁瑣，因此對澆排系統做出調整。針對套筒連接平面過厚且內澆道距離過遠無法做到有效補縮的問題，增加冷卻系統予以優化。
在充填過程中，增加橫澆道拐角，減少液流自直澆道進入橫澆道時產生的紊流以及進一步對充填壓力予以補縮；將主澆道取消，改爲左右兩側各增加一個分支澆道，使得兩側澆道金屬液盡量在弧頂的溢流槽處匯流。在套筒切向連接平臺區布置溢流槽，方便金屬液在套筒壁匯流前將夾渣和氣體排除，減小液流在匯流處的衝擊強度，避免在套筒壁處出現冷隔。同時設置排氣槽，將上下對應的溢流槽以排氣槽予以連接，方便氣體排除，杜絕鑄件內部氣孔的存在。澆排系統優化如圖9。
圖9 改進後的澆排系統設計
在凝固過程中，針對套筒連接區和通孔板件上下表面壁厚處出現孤立液相區的問題，在其上方布置溫度爲20°的水路管道，從而優化鑄件的凝固順序。此外增設的內澆道能有效延緩內壁的凝固，確保內壁完全凝固滯後於壁厚區，以及對壁厚區進行補縮。冷卻水路布置如圖10所示，冷卻工藝參數如表3所示。
圖10 冷卻水路分布圖
表3 冷卻工藝參數
4.2 優化方案模擬
對優化後方案進行模擬，充填及凝固過程如圖11所示。可以看出，整個充填過程順暢，金屬液自中部內澆道進入型腔沿筋板平穩充填，在弧頂溢流槽處匯流，避免了金屬液在內壁匯流而產生冷隔。同時設置在套筒切向處的溢流槽亦起到了導流的作用。在凝固過程中，增加冷卻系統的表面相對於薄壁區提前凝固，使得鑄件做到有序凝固。
圖11 優化後充型過程及凝固溫度場變化
圖12爲優化後鑄件縮鬆、縮孔分布情況，可以看出，套筒連接區域表面的缺陷得到有效解決，鑄件內壁亦無冷隔現象出現。
圖12 縮鬆縮孔分布圖
4.3 優化方案驗證
爲驗證優化後方案可行性，對優化後方案採用表4中的壓鑄工藝參數進行試模打樣。
表4 壓鑄試制工藝參數
根據鎖模力計算，選擇鎖模力爲2800kN的DCC280力勁壓鑄機進行試模生產，壓鑄機基本信息參數如表5，實際生產的鉸鏈支架如圖13所示。外觀面無毛刺，X探傷檢測如圖14，未發現縮鬆、縮孔、冷隔缺陷，滿足技術要求，可進行批量生產。
表5 DCC280力勁壓鑄機參數
圖13 鉸鏈支架鑄件實物圖
圖14 X射線探傷檢測圖
5 結論
（1）根據鉸鏈支架結構結合技術要求，設計了兩種壓鑄工藝。通過CAE軟件，對充型凝固過程進行模擬仿真分析，對比選出一種可供進一步優化的方案。
（2）通過改進澆排系統和增加冷卻水路，解決了鉸鏈支架鑄件縮鬆、縮孔和冷隔的缺陷，滿足技術要求，爲該類零件生產提供有效的工藝生產模板。
作者：
劉軍 高凱 黃智鋼 沈玉康 劉洋鹽城工學院機械工程學院
本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴
